TWI381763B

TWI381763B - Heating device and its temperature control method

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Publication number: TWI381763B
Application number: TW097133421A
Authority: TW
Original assignee: Lee Shu Chiu
Priority date: 2008-09-01
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2013-01-01
Also published as: US8742302B2; US20100051606A1; TW201012286A

Description

發熱裝置及其控溫方法

本發明係有關一種發熱裝置及其控溫方法，尤指一種藉由以直流電源進行加熱，並利用NTC元件特性，使包括NTC元件之RC電路在加熱過程中產生RC時間常數改變，並經由微處理器偵測，以即時加熱或降溫，從而使發熱裝置保持在一定的工作溫度；適用於電熱爐、熱敷毯等發熱裝置使用者。

電熱毯或熱敷毯等發熱結構在目前市面上已被廣泛的使用，而為達到可調整、控制溫度的目的，以PTC元件或NTC元件做為感測結構，並同時搭配發熱線以進行加熱的方式即被大量使用。

如第6圖所示係為美國第5,861,610號專利案，其主要的技術特點係在於一芯材a的外周緣依序包覆捲繞加熱用的導線a1、第二絕緣層a2、偵測線a3及第一絕緣層a4，該偵測線a3係為PTC材料(鎳合金)所製成。藉由PTC材料的特性，當偵測線a3的溫度隨著加熱導線a1的溫度上升，或因高溫使得偵測線a3的電阻改變，都將經由控制器內的比較電路進行比對，再以比對結果調整輸入導線a1的電流量，以控制發熱溫度在使用者所設定的範圍內。

上述技術在美國第6,300,597號、第6,310,322號及第6768086號專利案已同時被揭露。由上述各專利核准案可知，目前以電阻線直接發熱，並以PTC元件應用在控溫及偵測的技術已相當普遍，而如第7圖所示，其為美國第7,138,611號專利案。則是以一微處理器b定時偵測二個整形電路(b1、b2)之相移變化，以控制觸發電路b3的開關，使PTC元件b4持續加熱或降溫，從而使發熱線保持在一定範圍的工作溫度。藉此，可有效控制發熱線的發熱溫度，以提供更安全的保障。而在美國第7,180,037號專利案中，則是利用NTC元件之特性，並同樣偵測相移的變化，以控制發熱線的發熱溫度。

惟，上述各種發熱結構都必須輸入100伏以上的交流電，以達到加熱的效果；因此，縱然具有完善的保護電路，仍會存在有線路破損或電路故障等風險，讓人暴露在觸電的危險之中。且當人們在戶外或車內時，並不容易由室內取得交流電，而雖然可以經由電源轉換器將電池的直流電轉換為交流電，但要產生足夠的電力以加熱電熱毯或熱敷毯等發熱結構，將會大幅增加電源轉換器的體積，不但在空間上相當浪費，且不方便使用。

有鑑於此，為了改善上述之缺點，使發熱裝置及其控溫方法不僅能以低壓的直流電源進行加熱，讓使用者避免觸電、方便使用，且可藉由NTC元件的特性進行控溫，以達到安全防護的效果，發明人積多年的經驗及不斷的研發改進，遂有本發明之產生。

本發明之主要目的在提供一種發熱裝置及其控溫方法，藉由一直流電源進行加熱，並在加熱過程中，使一RC 電路之NTC元件之電阻改變，並由一微處理器偵測因NTC元件之電阻改變而產生之RC時間常數改變，使在低溫時持續加熱，而在高溫時自動斷電，俾能確保使用安全，且可有效控制加熱溫度。

為達上述之發明之目的，本發明所設之發熱裝置的控溫方法，包括下列步驟：a.提供一微處理器以在一預定時間內輸出包括至少一工作週期(duty cycle)方波的控制信號，對一包括一負溫度係數(Negative Temperature Coefficient,NTC)元件的電阻－電容(RC)電路充、放電；b.經由一芯材對負溫度係數元件進行加溫，以改變RC電路之RC時間常數；以及c.在加熱過程中，經由微處理器定時偵測RC時間常數之變化，以輸出控制信號，使芯材與直流電源呈導通或斷路狀態。

本發明所設之發熱裝置包括一發熱線、一電容、一開關以及一微處理器。其中，該發熱線包括一芯材、一負溫度係數元件及一感測線，該負溫度係數元件係包覆芯材，該感測線係捲繞於負溫度係數元件的外周緣，供感測負溫度係數元件的電阻，並使芯材與感測線並聯；該電容係與感測線及一電阻串聯，供形成一RC電路，一直流電源係連接於該RC電路的一端；該開關係連接直流電源，並以可與直流電源導通或斷路之方式連接RC電路的另端；而該微處理器係與開關連接，供在一預定時間內輸出包括至少一工作週期(duty cycle)方波的控制信號，且該微處理器係連接RC電路，供定時偵測RC時間常數之變化，以使發熱線與直流電源呈導通或斷路狀態，從而使發熱裝置保持在一定的工作溫度。

為便於對本發明能有更深入的瞭解，茲詳述於後：

請參閱第1、2圖所示，其為本發明發熱裝置的控溫方法的較佳實施例，係包括下列步驟：a、提供一微處理器10以在一預定時間內輸出包括至少一工作週期(duty cycle)方波的控制信號，供控制一開關11，使一直流電源12對一包括一負溫度係數(Negative Temperature Coefficient,NTC)元件15的電阻－電容(RC)電路14充、放電；b、經由一芯材13對負溫度係數元件15進行加溫，以改變RC電路14之RC時間常數；以及c、在加熱過程中，經由微處理器10定時偵測RC時間常數之變化，以輸出控制信號，使芯材13與直流電源12呈導通或斷路狀態。

請參閱第2、3圖所示，本發明以輸出電壓為12伏(V)之低壓直流電源12為例，進一步說明加熱及控溫之方法。首先，係在微處理器10設定時間計數器等於0後開始計數，並將代表是否加熱狀態的開關指標設為0，使直流電源12對芯材13加熱，同時讓微處理器10在1秒內持續輸出包括1.5個一工作週期(duty cycle)為4毫秒(ms)的50%工作週期方波及5伏的高位準電壓的控制信號，以控制開關11，使直流電源12對RC電路14充、放電，以便使微處理器10量測RC時間常數，直到開關指標改變為1。其中，所述的微處理器10亦可輸出一個或一個以上工作週期方波，以控制開關11。

在前述步驟中，係顯示開關11導通以使直流電源1122在1秒內正常持續對芯材13加熱，而當時間計數值等於1秒，亦即持續加熱1秒之後，該微處理器10將會設定時間計數值為0以重新計數下1秒，同時輸出另一組具有1.5個一工作週期為4毫秒(ms)的工作週期方波及5伏的高位準電壓的控制信號，使直流電源12對RC電路14充、放電，並使微處理器10量測RC時間常數，之後在每一秒偵測一次，若開關指標持續為0，則持續加熱。

在加熱過程中，芯材13持續對RC電路14的負溫度係數元件15加溫，並使感測線16的溫度同時升高。當負溫度係數元件15因溫度上升而使電阻變小時，將使得RC電路14之RC時間常數值變短。若微處理器10所偵測到的RC時間常數值大於或等於預設之設定值，開關指標仍會為0，芯材12將會被繼續加熱；而當RC時間常數值小於預設之設定值時，開關指標則會轉變為1，讓微處理器10每秒輸出包括1.5個一工作週期(duty cycle)為4毫秒(ms)的工作週期方波及0伏的低位準電壓的控制信號，以控制開關11，使芯材12與直流電源12呈斷路狀態。當芯材12不再加熱時，負溫度係數元件的電阻即會因溫度的冷卻而逐漸加大，同時改變RC時間常數值，在RC時間常數值等於預設之設定值時，開關指標轉變為0，加熱程序即會被重新啟動。藉此，可在低溫時持續加熱，而在高溫時自動斷電，以控制加熱溫度在一定之範圍內。

請參閱第4、5圖所示，其為本發明發熱裝置1之較佳實施例，包括一發熱線2、一RC電路3、一開關4、一比較器5以及一微處理器6。該發熱線2係容置於一袋體7內，以做為電熱毯使用，而該比較器5亦可內建於該微處理器6內。

該發熱線2包括一芯材21、一負溫度係數元件22、一感測線23及一披覆層24，該芯材21係為捲繞於一纖維線25外周緣的導線，該負溫度係數元件22係完全包覆芯材21，而該感測線23為一低電阻之導線，係捲繞於負溫度係數元件22的外周緣(如第4圖所示)，供感測負溫度係數元件22的電阻。

該感測線23與電阻R5、電容C1串聯呈一RC電路3，且該RC電路3與芯材21並聯，該RC電路3的一端連接直流電源8的正端，RC電路3的另端連接開關4，在本實施中，該開關4係為場效電晶體(Field－EffectTransistor，簡稱FET)Q1，該RC電路3的另端係連接於場效電晶體Q1的汲極，該場效電晶體Q1的源極連接直流電源8的負端，而該場效電晶體Q1的閘極經由一PNP電晶體Q2及一電阻R1連接微處理器6的第9腳。

另，一節點N係設於該RC電路3的電容C1與感測線23之間，且該節點N經由一電阻R2連接比較器5的反向輸入端，該比較器5的非反向輸入端連接於二電阻(R3、 R4)之間的節點N1，以輸入一直流分壓，而該比較器5的輸出端連接微處理器6的第7腳。

加熱時，該微處理器6係以1秒為一單位，經由PNP電晶體Q2對場效電晶體Q1的閘極輸出一組具有1.5個一工作週期為4毫秒(ms)的工作週期方波及5伏的高位準電壓的控制信號(如第6A圖所示)，使直流電源8對RC電路3充、放電。

當場效電晶體Q1的汲極及源極導通(ON)，以使直流電源8與發熱線2呈通路狀態時，電容C1開始充電，而當場效電晶體Q1呈斷路(OFF)時，電容C1即會放電，並經由節點N輸出，使比較器5的反向輸入端的電壓隨之升高。在本實施例中，由於該比較器5的非反向輸入端所輸入的直流分壓係預定為2.5伏的定電壓，因此，當比較器5的反向輸入端的電壓升高至2.5伏以上時，比較器5的輸出端的電位即會由高電位(HI)轉為低電位(LO)，在輸入微處理器6的第7腳時，即可計算得到電容C1放電至2.5伏所需的充電時間，並得知在加溫狀態時，由於負溫度係數元件22的電阻變小時，RC電路3之RC時間常數之變化量(如第6A~6C圖)。同樣的，在降溫狀態時，由於負溫度係數元件22的電阻增大，將使得RC電路3之RC時間常數增加，其變化量亦同樣會輸入至微處理器6內。

其中，當RC電路3的RC時間常數值小於預設之設定值時，微處理器6即會每秒輸出一組具有1.5個一工作週期為4毫秒(ms)的工作週期方波及0伏的低位準電壓的控制信號，以使發熱線2與直流電源8呈斷路狀態；而當微處理器6再次偵測到RC時間常數值大於或等於預設之設定值時，微處理器6則會再輸出控制信號，以加熱發熱線2之芯材21，使達到控溫之目的。

因此，本發明具有以下之優點：1、本發明能藉由低壓直流電源以進行加熱程序，不但方便在各種場所使用，且可有效確保使用安全。

2、本發明可藉由偵測因NTC元件之電阻改變而產生之RC時間常數變化，控制發熱線的加溫或降溫，以確保工作溫度保持在預定範圍內。

綜上所述，依上文所揭示之內容，本發明確可達到發明之預期目的，提供一種不僅能以低壓的直流電進行加熱，使避免觸電、方便使用，且可藉由NTC元件的特性進行控溫，以達到安全防護效果的發熱裝置及其控溫方法，極具產業上利用之價值，爰依法提出發明專利申請。

芯材‧‧‧a

導線‧‧‧a1

第二絕緣層‧‧‧a2

偵測線‧‧‧a3

第一絕緣層‧‧‧a

微處理器‧‧‧b

整形電路‧‧‧b1、b2

觸發電路‧‧‧b3

PTC元件‧‧‧b4

微處理器‧‧‧10

開關‧‧‧11

直流電源‧‧‧12

芯材‧‧‧13

RC電路‧‧‧14

負溫度係數元件‧‧‧15

感測線‧‧‧16

發熱裝置‧‧‧1

發熱線‧‧‧2

芯材‧‧‧21

負溫度係數元件‧‧‧22

感測線‧‧‧23

披覆層‧‧‧24

纖維線‧‧‧25

RC電路‧‧‧3

開關‧‧‧4

比較器‧‧‧5

微處理器‧‧‧6

袋體‧‧‧7

直流電源‧‧‧8

第1圖係為本發明發熱裝置的控溫方法之步驟流程圖。

第2圖係為本發明之電路方塊示意圖。

第3圖係為本發明進行加熱及控溫時之流程圖。

第4圖係為本發明之發熱線之立體外觀圖。

第5圖係為本發明發熱裝置之電路圖。

第6A~6C圖係為本發明之RC電路之RC時間常數變化示意圖。

第7圖係為習用美國第5,861,610號專利案之發熱線之組合剖面圖。

第8圖係為習用美國第7,138,611號專利案之電路方塊示意圖。

本圖係為步驟流程圖

Claims

一種發熱裝置的控溫方法，包括：a、提供一微處理器以在一預定時間內輸出包括至少一工作週期(duty cycle)方波的控制信號，供控制一開關，使一直流電源對一包括一負溫度係數(Negative Temperature Coefficient,NTC)元件的電阻－電容(RC)電路充、放電；b、經由一芯材對負溫度係數元件進行加溫，以改變RC電路之RC時間常數；以及c、在加熱過程中，經由微處理器定時偵測RC時間常數之變化，以輸出控制信號，使芯材與直流電源呈導通或斷路狀態。
一種發熱裝置，包括：一發熱線，包括一芯材、一負溫度係數(Negative Temperature Coefficient,NTC)元件及一感測線，該負溫度係數元件係包覆芯材，該感測線係捲繞於負溫度係數元件的外周緣，供感測負溫度係數元件的電阻，並使芯材與感測線並聯；一電容，係與感測線及一電阻串聯，供形成一RC電路，一直流電源係連接於該RC電路的一端；一開關，係連接直流電源，並以可與直流電源導通或斷路之方式連接RC電路的另端；以及一微處理器，係與開關連接，供在一預定時間內輸出包括至少一工作週期(duty cycle)方波的控制信號，且該微處理器係連接RC電路，供定時偵測RC時間常數之變化，以使發熱線與直流電源呈導通或斷路狀態。
如申請專利範圍第2項所述之發熱裝置，其中，該開關係為場效電晶體(Field-EffectTransistor，簡稱FET)，該場效電晶體的源極連接直流電源，場效電晶體的汲極連接RC電路的另端，而場效電晶體的閘極連接微處理器。
如申請專利範圍第2項所述之發熱裝置，更包括一袋體，用以將發熱線容置於其中。
如申請專利範圍第2項所述之發熱裝置，更包括一節點，該節點係設於RC電路之間，且該節點連接微處理器。
如申請專利範圍第5項所述之發熱裝置，更包括一比較器，該比較器的非反向輸入端連接一直流分壓，該直流分壓係為一定電壓，且該比較器的反向輸入端連接節點，而該比較器的輸出端連接微處理器。